微机械陀螺工作原理
2024-微机械陀螺简述,微惯性技术
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1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成 和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技 术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构 加速度计振动结构
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
按加工方式
体微机械加工 表征微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
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1.3 微机械陀螺分类
按驱动方式
压电式 静电式 电磁式
微
机
按检测方式
压电检测 电容检测
械 陀
压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
4. 测量范围大，一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千°/s
缺点： 目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，
漂移较大。
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1.3 微机械陀螺分类
按振动结构
微
机
械
陀
螺
分
按材料
类
旋转振动结构 线性振动结构
硅材料 非硅材料
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
正交线振动结构 非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
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2、微机械陀螺根本原理
振动式微机械陀螺根本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺根本原理
MEMS陀螺仪原理
mems陀螺仪mems陀螺仪即硅微机电陀螺仪，绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。
目录•mems陀螺仪的原理•mems陀螺仪的特点•mems陀螺仪的构成•mems陀螺仪的选用•mems陀螺仪的安装mems陀螺仪的原理•MEMS 陀螺仪(gyroscope)的工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理, 因此它主要是一个不停转动的物体, 它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化.但是MEMS 陀螺仪(gyroscope)的工作原理不是这样的,因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事.MEMS 陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力. 下面是导出科里奥利力的方法. 有力学知识的读者应该不难理解.在空间设立动态坐标系(图一).用以下方程计算加速度可以得到三项,分别来自径向加速,科里奥利加速度和向心加速度.如果物体在圆盘上没有径向运动,科里奥利力就不会产生.因此,在MEMS 陀螺仪的设计上,这个物体被驱动,不停地来回做径向运动或者震荡,与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化,并有可能使物体在横向作微小震荡,相位正好与驱动力差90 度.MEMS 陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板.径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动(有点象加速度计中的自测试模式) ,横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化(就象加速度计测量加速度) .因为科里奥利力正比于角速度,所以由电容的变化可以计算出角速度.mems陀螺仪的特点•MEMS陀螺仪是利用coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是1. 体积小、重量轻，其边长都小于1mm，器件核心的重量仅为1.2mg。
MEMS陀螺仪精讲
MEMS陀螺仪的分类
1.振动式微机械陀螺仪 振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质 量，在被基带动旋转时的哥氏效应感测角速度。
2.转子式微机械陀螺仪 转子式微机械陀螺仪的转子由多晶硅制成，采用静电悬 浮，并通过力短再平衡回路测出角速度。从功能看，转 子式微机械陀螺仪属于双轴速率陀螺仪或双轴角速率传 感器。 3.微机械加速度计陀螺仪 微机械加速度计陀螺仪是由参数匹配的两个微机械加速 度计做反向高频抖动 而构成的多功能惯性传感器，兼 有测量加速度和角速度的双重功能。
2、日前,意法半导体(ST)新推出13款单轴和双轴陀螺 仪。这种陀螺仪有以下值得关注的地方： ①这种全新高性能角运动传感器 可运用于手势控制的游戏机和遥 控指向产品、数字摄像机或数码 相机的图像稳定功能，以及GPS 导航辅助系统。 ②意法半导体的陀螺仪包括关断模式 (当整个器件完全关断时)和睡眠模式， 部分电路在睡眠模式下被关断,不但 大幅降低功耗，并可快速唤醒,使电 源开关更加智能化。 ③意法半导体的高性能MEMS陀螺仪 拥有抗机械应力，并改进了内部自 检功能，使客户在组装后可以验证 传感器功能，无需在测试过程中移 动电路板。
MEMS陀螺仪的应用发展史
1.MEMS陀螺仪的第一波应用是1990年代的汽车安 全系统
2.MEMS陀螺仪第二波应用是始于2000年的消费电 子产品 3.MEMS陀螺仪的第三波应用将开始出现在医疗、工 业器械等领域
MEMS陀螺仪的军事应用优势
在现今的世界格局中，战争以 信息化战争的对抗为主,重点 是发展精确制导武器，MEMS陀 螺仪在其中发挥了重要作用。
整合MEMS加速计和陀螺仪地磁的模块 正在进入廉价的电子玩具市场，传感 器模块提供的动作感应功能可实现互 动的游戏体验，还能让更小的儿童上 网分享快乐：孩子们很快就能够用自 然的动作玩这些玩具，不再使用按钮 或键盘一类的东西。
新型陀螺仪的工作原理及应用
新型陀螺仪的工作原理及应用在现代科技的飞速发展中，陀螺仪作为一种重要的传感器，发挥着不可或缺的作用。
从航空航天到智能手机，从汽车导航到工业自动化，陀螺仪的应用无处不在。
而新型陀螺仪的出现，更是为众多领域带来了新的突破和可能。
要理解新型陀螺仪的工作原理，首先得从传统陀螺仪说起。
传统的机械陀螺仪是基于陀螺的定轴性和进动性来工作的。
简单来说，就是一个高速旋转的陀螺，其旋转轴在没有外力作用时，始终保持固定的方向；当受到外力作用时，会产生进动现象，从而可以感知物体的转动。
然而，这种机械陀螺仪存在体积大、重量重、精度有限以及对环境敏感等缺点。
新型陀螺仪则克服了这些问题，其中比较常见的有光学陀螺仪和微机电系统（MEMS）陀螺仪。
光学陀螺仪主要包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪。
激光陀螺仪利用了萨格纳克效应，通过测量两束沿相反方向传播的激光束的光程差来感知旋转。
当陀螺仪发生旋转时，两束光的传播路径会发生变化，导致光程差的产生，通过检测这个光程差就能确定旋转的角速度。
光纤陀螺仪的工作原理与激光陀螺仪类似，只不过它使用的是光纤来传输光信号。
由于光纤具有柔软、抗干扰能力强等优点，光纤陀螺仪在实际应用中具有更大的灵活性。
MEMS 陀螺仪则是基于微机械加工技术制造的。
它通常由一个可移动的质量块和相应的检测电路组成。
当陀螺仪发生旋转时，质量块会受到科里奥利力的作用，产生微小的位移或振动。
通过检测这个位移或振动的变化，就可以推算出旋转的角速度。
新型陀螺仪在众多领域都有着广泛的应用。
在航空航天领域，高精度的陀螺仪对于飞机、卫星和导弹的导航和姿态控制至关重要。
新型陀螺仪的小型化和高精度特点，使得飞行器能够更加精确地定位和导航，提高飞行的安全性和稳定性。
在智能手机中，陀螺仪可以实现屏幕的自动旋转、游戏中的体感操作以及增强现实（AR）和虚拟现实（VR）应用中的头部追踪等功能。
例如，当我们在看手机图片或者阅读文档时，只要转动手机，屏幕内容就能自动跟着旋转，这就是陀螺仪在起作用。
MEMS陀螺仪工作原理
陀螺仪是用来测量角速率的器件，在加速度功能基础上，可以进一步发展，构建陀螺仪。
陀螺仪的内部原理是这样的：对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量；这有点类似于加速度计，解码方法大致相同，都会用到放大器。
角速率由科氏加速度测量结果决定- 科氏加速度 = 2 × (w ×质量块速度)- w是施加的角速率(w = 2 πf)通过14 kHz共振结构施加的速度（周期性运动）快速耦合到加速度计框架- 科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位，因此可以抵消低速外部振动该机械系统的结构与加速度计相似（微加工多晶硅）信号调理（电压转换偏移）采用与加速度计类似的技术施加变化的电压来回移动器件，此时器件只有水平运动没有垂直运动。
如果施加旋转，可以看到器件会上下移动，外部指将感知该运动，从而就能拾取到与旋转相关的信号。
上面的动画，只是抽象展示了陀螺仪的工作原理，而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子。
PS：陀螺仪可以三个一起设计，分别对应于所谓滚动、俯仰和偏航。
任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滚动是指向左或向右翻滚。
要正确控制任何类型的航空器或导弹，都需要知道这三个参数，这就会用到陀螺仪。
它们还常常用于汽车导航，当汽车进入隧道而失去GPS信号时，这些器件会记录您的行踪。
无人机在飞行作业时，获取的无人机影像通常会携带配套的POS数据。
从而在处理中可以更加方便的处理影像。
而POS数据主要包括GPS数据和IMU数据，即倾斜摄影测量中的外方位元素：（纬度、经度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滚角（Kappa））。
GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表了飞机在飞行中曝光点时刻的地理位置。
飞控是由主控MCU和惯性测量模块（IMU，Inertial Measurement Unit）组成。
陀螺仪与加速度传感器介绍
陀螺仪是测量运动角速度ω的器件 通过积分角速度ω可获得陀螺仪偏转角度值 陀螺仪的定向性使它能测量360度范围内的角度变化，可以测量 得到物体的角速度，通过信号积分处理，可以获物体的姿态（倾 角）信息。 目前有3轴（X Y Z ）,
6轴（X XY Y YZ Z ZX）等
3轴陀螺仪
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3、陀螺仪的特性
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3、加速度计的应用
（1）游戏控制 加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化，通过前后倾斜手
持设备来实现对游戏中物体的前后左右的方向控制。 （2）图像自动翻转
用加速度传感器检测手持设备的旋转动作及方向，实现手机所要 显示图像的转正。
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4、加速度计与陀螺仪组合应用
两轮自平衡车
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mems横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化freescale工业用invensense加速度和陀螺仪一体化4陀螺仪的分类按用途传感陀螺仪指示陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中作为水平垂直俯仰航向和角速度传感器指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示作为驾驶和领航仪表使用
陀螺仪与加速度传感器
陀螺仪
重力加速度计
1
一、陀螺仪 1.英文名称：gyroscope
电子陀螺仪
机械陀螺仪-3轴
2
2.陀螺仪的工作原理
陀螺仪是由陀螺旋转的原理制成的，用于测量物体的角速度 陀螺是围绕着某个固定的支点而快速转动起来的刚体，它的 质量是均匀分布的，形状是以轴为对称的，自转轴就是它的对称 轴。在一定力矩的作用下，陀螺会一直在自转，而且还会围绕着 一个不变的轴一直在旋转，称作陀螺的旋进或者是回转效应。例 如很多孩子小时候玩的陀螺。
微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程
微机械MEMS陀螺仪原理：目前，MEMS陀螺仪主要以振动式为主，振动式陀螺仪主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和检测单元几个部分构成。
驱动与检测方式以静电驱动、电容检测最为常见。
检测原理是利用柯氏效应（Coriolis）把各轴的角速率转换成谐振质量块的位移，从而引起检测电容的变化，通过电容变化量可以换算出角速率或者角加速度。
以一个单轴MEMS陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理（图4）。
两个正在运动的质量块向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。
只要施加一个平行于纸平面的角速率，如红色箭头所示，就会产生一个与质量块运动方向垂直的柯里奥利力，如黄色箭头所示。
产生的柯里奥利力使质量块发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。
这个位移将会在质量块的梳齿电极和固定电极之间引起电容变化，因此，在MEMS陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参量。
图4MEMS振动式陀螺仪原理分析和评价陀螺的性能，需要制定一系列的衡量准则，为其应用提供一定的参考依据。
总体而言，表征陀螺性能的主要指标有:标度因数稳定性、漂移稳定性、随机游走、量程和成本等等。
三、主流MEMS陀螺仪厂商工艺：3.1ADI iMEMS制造工艺：美国ADI公司的MEMS惯性传感器性能达到军用战术级别，其著名的iMEMS工艺是MEMS 和标准IC工艺实现单片混合集成的成功典范，制造有ADXL系列加速度计、ADXRS系列陀螺仪等产品。
如图5所示，是ADI的ADXRS150陀螺仪。
图5ADXRS150陀螺仪ADI iMEMS是一种Interleaved-CMOS工艺，如图6所示,其特点是在CMOS制造流程过程中插入MEMS器件的制作工艺，这些MEMS工艺不会影响到CMOS电路的性能。
iMEMS制造工艺的基本步骤是：1、首先是从CMOS工艺起始，制作前段工艺的MOS晶体管，包括N阱、MOS管的源极、漏极和发射极，并且制作与MEMS微结构连接的n+区域；2、沉积氮化硅和BPSG保护电路制作区域，但这些薄膜要从MEMS结构制作区域去除；3、在MEMS结构区域，沉积和刻蚀钝化层氮化硅、1.6um厚的牺牲层氧化硅以及2um PloySi薄膜，PolySi采用P注入掺杂，并且退火获得较小的应力，以作为MEMS器件的结构层；4、沉积氧化硅保护MEMS区域，并且继续CMOS后段的金属互连制作步骤；5、最后就是释放牺牲层，获得活动的MEMS结构，测试封装。
mems陀螺仪工作原理
mems陀螺仪工作原理mems陀螺仪是由microelectromechanical systems(简称MEMS)制成的一种传感器，它可以检测和记录来自环境的物理运动，如旋转、加速度和位移。
它可以用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域。
本文将介绍mems陀螺仪的工作原理。
一、MEMS陀螺仪的结构MEMS陀螺仪是一种小型、低成本的传感器，一般由两个部分组成，分别是检测部分和控制部分。
检测部分由一个微机械的旋转轴组成，它的运动传感器可以检测旋转轴的角位移、角速度和角加速度。
控制部分负责检测部分的控制，它由多个电子元件和电路组成，包括放大器、滤波器、可编程逻辑控制器等。
二、MEMS陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪的工作原理是利用检测部分的运动传感器检测旋转轴的角位移、角速度和角加速度，然后将信号输入到控制部分。
控制部分对信号进行放大、滤波和编码，然后将指令发送给外部设备，以控制或检测物理运动。
三、MEMS陀螺仪的优点MEMS陀螺仪在小型化、低成本、低功耗等方面具有明显优势，能够满足许多应用场合的需求。
除此之外，它还具有良好的可靠性和可重复性，能够提供精确的测量结果。
四、MEMS陀螺仪的应用MEMS陀螺仪可以应用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域。
在航空航天领域，MEMS陀螺仪可以用于飞行控制、导航和航空飞行模拟等应用；在汽车领域，MEMS陀螺仪可以用于车辆安全控制、车辆悬架系统和驾驶员辅助系统等应用；在智能手机和其他电子设备领域，MEMS陀螺仪可以用于游戏控制、虚拟现实系统和家居智能控制等应用；在实时监控系统领域，MEMS 陀螺仪可以用于机器人控制、运动检测和地面监控等应用。
五、结论MEMS陀螺仪作为一种小型、低成本、低功耗的传感器，可以应用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域，具有良好的可靠性和可重复性，能够提供精确的测量结果，是一种非常有用的传感器。
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微机械陀螺工作原理
微机械陀螺是一种由微小机械结构构成的陀螺仪。
其工作原理基于陀螺效应和泛振动现象。
陀螺效应是指当陀螺受到外力作用时，其会产生一个相对于作用力方向垂直的力矩，使陀螺发生旋转。
微机械陀螺利用这个特性，通过测量陀螺的旋转角速度来检测外界的旋转或倾斜。
在微机械陀螺中，通常采用微机电系统（MEMS）技术制作陀螺结构。
该结构由一个旋转质量块和支撑结构组成。
当外界旋转作用于陀螺仪时，旋转质量块产生陀螺效应，产生一个力矩使其倾斜或旋转。
支撑结构通过引入压电效应或电感效应进行力矩的测量和控制。
泛振动现象是指当将微机械结构置于一定频率的交变电场或磁场中时，结构会发生微小的周期性振动。
微机械陀螺利用泛振动现象，通过检测振动频率的变化来测量陀螺的旋转角速度。
当陀螺旋转时，振动频率会发生微小的变化，通过检测这种变化可以测量出陀螺的旋转速度。
综合上述原理，微机械陀螺可以通过测量陀螺效应或泛振动现象来检测外界的旋转或倾斜。
这种小型化的陀螺仪具有体积小、功耗低、成本低等特点，广泛应用于惯导系统、无人机、智能手机等领域。